基于ARM和μC／OS－П以太網(wǎng)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段慧婷

（河北省電子信息技術(shù)研究院，河北石家莊 050051）

基于ARM和μC／OS－П以太網(wǎng)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段慧婷

（河北省電子信息技術(shù)研究院，河北石家莊 050051）

TCP／IP及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而大量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備尚不具備網(wǎng)絡(luò)接口，主要通過(guò)串行口進(jìn)行通訊，因而無(wú)法直接連接到Internet。筆者設(shè)計(jì)了一種基于ARM處理器的嵌入式以太網(wǎng)接口系統(tǒng)，用來(lái)解決這些傳統(tǒng)設(shè)備與現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互聯(lián)問(wèn)題。

嵌入式系統(tǒng)；以太網(wǎng)；SPI串行通信；μC／OS－П；ZLG／IP

在工業(yè)控制等領(lǐng)域，傳統(tǒng)SPI串行口設(shè)備仍然被廣泛地應(yīng)用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上廣泛應(yīng)用，SPI串行通信固有的傳輸速率低、傳輸距離有限、布線繁雜等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。以太網(wǎng)技術(shù)克服了上述缺點(diǎn)，采用以太網(wǎng)可以方便地接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸率高，由于采用了通用的通信協(xié)議，兼容性較好。

基于TCP／IP的以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為IT產(chǎn)業(yè)的主要通訊手段，在工業(yè)生產(chǎn)中，為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的潮流，而不至于失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須建立高效的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。對(duì)于這些領(lǐng)域的SPI串口設(shè)備來(lái)說(shuō)，讓這些設(shè)備連上以太網(wǎng)將是一種趨勢(shì)。

筆者所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，利用其串口與底層I／O節(jié)點(diǎn)相連，上層則直接聯(lián)入以太網(wǎng)，允許被授權(quán)的用戶在以太網(wǎng)任意一點(diǎn)應(yīng)用瀏覽器訪問(wèn)該系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)下層設(shè)備的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式以太網(wǎng)接口，主要完成一個(gè)SPI串行通信和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制，系統(tǒng)對(duì)多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接收來(lái)自SPI串行口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流，并對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀。

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法，可以將系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，硬件部分主要完成微處理器與SPI口、以太網(wǎng)等模塊間的接口電路設(shè)計(jì)，以及控制信號(hào)的處理；軟件部分主要完成SPI口與網(wǎng)口間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。這其中包括硬件系統(tǒng)的啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)，由于系統(tǒng)需要運(yùn)行多任務(wù)，一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)必不可少，TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的收發(fā)，SPI串口驅(qū)動(dòng)程序完成串行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 擴(kuò)展以太網(wǎng)接口

在嵌入式系統(tǒng)中，擴(kuò)展以太網(wǎng)接口，通常有如下兩種方法實(shí)現(xiàn)：

（1）嵌入式處理器加上以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019AS。這種方法對(duì)嵌入式處理器沒(méi)有特殊要求，只要把以太網(wǎng)芯片連接到嵌入式處理器的總線上即可。此方法通用性強(qiáng)，不受處理器的限制；但是，處理器和網(wǎng)絡(luò)通過(guò)外部總線交換數(shù)據(jù)，速度慢，可靠性不高，電路走線復(fù)雜。

（2）選擇帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器。這種方法要求嵌入式處理器有通用的網(wǎng)絡(luò)接口控制器。處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過(guò)內(nèi)部總線，速度快［1］。

本研究選用的嵌入式處理器芯片是帶有以太網(wǎng)接口控制器LM3S8962。硬件簡(jiǎn)單，傳輸速率快。

2.2 硬件平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由3部分組成：數(shù)據(jù)接收部分、ARM芯片數(shù)據(jù)處理部分、遠(yuǎn)端主機(jī)（見(jiàn)圖1）。

數(shù)據(jù)接收部分，通過(guò)傳感器對(duì)室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，射頻收發(fā)模塊n RF24E1作為主機(jī)通過(guò)SPI接口傳送給LM3S8962微處理器芯片，LM3S8962作為從機(jī)接收數(shù)據(jù)，放入緩存區(qū)，并利用μC／OS－П操作系統(tǒng)，在user文件夾下的main.C進(jìn)行程序的編寫(xiě)，把接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換使之成為適合在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口RJ45傳送到遠(yuǎn)端的主機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

LM3S8962具備SPI數(shù)據(jù)總線，1個(gè)10M／100M全雙工和半雙工以太網(wǎng)接口。其中以太網(wǎng)接口與上位機(jī)通訊，將采集的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)中，并且接收上位機(jī)的命令對(duì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中SPI接口是中央處理器與射頻收發(fā)模塊n RF24E1通信的接口，因?yàn)閚 RF24E1只能作為主機(jī)發(fā)送，所以嵌入式微處理器作為從機(jī)接收所采集的各種數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制。嵌入式ARM微處理器中的μC／OS－П的功能就是實(shí)時(shí)的將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)接口上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理。

圖1 硬件平臺(tái)

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，在硬件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及控制信號(hào)處理等主要功能基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，在這個(gè)接口之上來(lái)傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)主要有：

（1）硬件系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)代碼是系統(tǒng)上電復(fù)位后最先執(zhí)行的部分，完成對(duì)于系統(tǒng)的初始化工作，在μC／OS－П操作系統(tǒng)中采用基于ARM核的匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。它主要實(shí)現(xiàn)向量表定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量的初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I／O、外圍初始化、地址重映射等操作。

（2）μC／OS－П嵌入式操作系統(tǒng)的移植。μC／OS－П的移植主要任務(wù)是重新編寫(xiě)與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，這些代碼包括：與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的重定義、開(kāi)關(guān)中斷的代碼、堆棧的增長(zhǎng)方向、任務(wù)堆棧初始化函數(shù)、任務(wù)切換函數(shù)等等。

（3）以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)和TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。主要完成的功能有：實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、在目標(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行TCP／IP，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。由于TCP／IP協(xié)議體系龐大，考慮到目標(biāo)系統(tǒng)的資源有限，有必要對(duì)TCP／IP協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)。僅實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中所用到的協(xié)議，包括：IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議，同時(shí)，采用與類似BSD標(biāo)準(zhǔn)的Socket接口實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議的API。

（4）SPI口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。SPI對(duì)從外設(shè)器件接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行串行到并行的轉(zhuǎn)換。

（5）系統(tǒng)功能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。主程序部分通過(guò)創(chuàng)建兩個(gè)μC／OS－П任務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳送至以太網(wǎng)。當(dāng)從串口接收數(shù)據(jù)并發(fā)送至以太網(wǎng)時(shí)，允許建立多個(gè)連接，同時(shí)向多個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，也允許建立多個(gè)連接以接收多個(gè)主機(jī)的數(shù)據(jù)，但必須滿足數(shù)據(jù)包的延時(shí)和丟包率在給定的范圍之內(nèi)。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 μC／OS－П移植

本移植在如下環(huán)境中完成：編譯工具采用IAR FOR ARM，目標(biāo)板采用Easy ARM8962開(kāi)發(fā)板。主機(jī)通過(guò)LMLINK JTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境。移植過(guò)后的模版如圖2。

（1）移植過(guò)程中，μC／OS－П的核心源代碼不用修改，可以直接放在μC／OS－ПSource文件夾中。

（2）μC／OSП＼Ports目錄存放μC／OS－П基于LM3S單片機(jī)的移植代碼，包括OS＿CPU＿C.C、OS＿CPU＿A.ASM、OS＿CPU.H三個(gè)必要的文件。

（3）Target目錄中的Startup.S文件是單片機(jī)的啟動(dòng)代碼和中斷向量表，Target.C和Target.H提供單片機(jī)初始化函數(shù)Target Init（）和其他簡(jiǎn)單的外設(shè)控制API函數(shù)，包括LED控制、蜂鳴器控制、按鍵檢測(cè)和定時(shí)器0中斷服務(wù)等，方便用戶調(diào)試程序。

（4）將μC／OS－П移植到ARM處理器LM3S8962上需要修改3個(gè)與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：OS＿CPU.H、OS＿CPU＿A.ASM、OS＿CPU＿C.C。

完成上述工作后，只要再根據(jù)目標(biāo)板的實(shí)際情況編寫(xiě)Target目錄中的3個(gè)文件，μC／OS－П就可以運(yùn)行在LM3S8962單片機(jī)上了［2］。

3.2.2 ZLG／IP精簡(jiǎn)協(xié)議棧

為使轉(zhuǎn)接口具有以太網(wǎng)接入功能，必須在ARM處理器中嵌入TCP／IP協(xié)議，ZLG／IP精簡(jiǎn)協(xié)議棧完全符合嵌入式TCP／IP協(xié)議棧的特殊性要求，是面向嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基于μC／OS－П的小型TCP／IP協(xié)議棧。ZLG／IP提供實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上IP接點(diǎn)的功能，是個(gè)高性能的嵌入式TCP／IP協(xié)議軟件［3］。它使用μC／OS－П實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)多任務(wù)并行可重入的協(xié)議棧，完全使用ANSI C進(jìn)行編寫(xiě)，可以像μC／OS－П那樣支持多種CPU。

精簡(jiǎn)TCP／IP協(xié)議中各層采用的協(xié)議如下（主要是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)上運(yùn)行的協(xié)議）：

1）鏈路層：由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，主要包括：Ethernet Driver協(xié)議。

圖2 ARM Cortex移植模版層次結(jié)構(gòu)

2）網(wǎng)絡(luò)層：IP／ARP／ICMP協(xié)議。

3）傳輸層：采用TCP或UDP協(xié)議，TCP協(xié)議提供了一種可靠的面向連接的字節(jié)流運(yùn)輸層服務(wù)，而UDP協(xié)議是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向非連接的數(shù)據(jù)包的運(yùn)輸層協(xié)議，考慮到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，設(shè)計(jì)中選用UDP協(xié)議。

因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于互聯(lián)網(wǎng)的要求，所以要設(shè)計(jì)TCP／IP協(xié)議簇中那些基本的、系統(tǒng)所要求的那一部分。將ZLG／IP協(xié)議嵌入到操作系統(tǒng)μC／OS－П中，并提供API接口函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用，使得ARM可以快速無(wú)沖突地收發(fā)網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)包，符合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

測(cè)試中使用PC機(jī)同時(shí)作為SPI口設(shè)備和上位機(jī)。使用SPI串行接口與上端n RF24E1相連接；使用交叉網(wǎng)線分別連接PC機(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)的RJ45接口，同時(shí)設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼，以使它們?cè)谕痪W(wǎng)絡(luò)中通訊。

在PC機(jī)上運(yùn)行TCP＆UDP測(cè)試軟件和UDP通訊程序作為上位機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)試。在UDP通訊程序中設(shè)置遠(yuǎn)程主機(jī)（即目標(biāo)系統(tǒng)）地址為192.168.0.5，遠(yuǎn)程端口號(hào)為1025，輸入一組數(shù)據(jù)，在TCP＆UDP測(cè)試軟件創(chuàng)建連接的情況下，在TCP＆UDP測(cè)試軟件的接收區(qū)中接收到消息。同樣發(fā)送其他信息，在接受區(qū)中收到的消息和鍵盤(pán)輸入的信息一樣。表明雙方通信的成功。運(yùn)行結(jié)果如圖3。

圖3 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試能夠同時(shí)對(duì)多臺(tái)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)分析顯示以及在線控制，而且實(shí)時(shí)性能滿足要求，能滿足大多數(shù)小型系統(tǒng)的使用。

根據(jù)本文所論述的解決方案和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以在SPI串行數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)傳送的TCP／IP數(shù)據(jù)包之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，使帶有SPI串行數(shù)據(jù)通信設(shè)備的信息可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送或共享。可將現(xiàn)有SPI串行設(shè)備轉(zhuǎn)換成具有網(wǎng)絡(luò)接口的外設(shè)，從而保證了SPI串行口設(shè)備的兼容性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于：門(mén)禁、安防、考勤系統(tǒng)；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控；倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)；醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)儀器聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化；大型零售（OPS）系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化。具有一定的市場(chǎng)前景，能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2005.

［2］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第四版）［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.

［3］頓雁兵，張海南.基于LPC2210的嵌入式以太網(wǎng)接口芯片設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，（6）：1077－1080.

［4］龐海濤，陳昕，程高峰.μC／OS－Ⅱ在Cortex－M3系列單片機(jī)上的移植［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008，（11）：31－33.

Design of ethernet conversion interface system based on ARM andμC／OS－П

DUAN Hui－ting

（HebeiElectronicandInformationTechnologyAcademy，ShijiazhuangHebei050051，China）

TCP／IP and Internet are widely used in industrial field，yet plenty of industrial equipments do not have network interfaces and can not be connected to the Internet directly.In order to seek a new kind of method to solve the interconnection problem between these tradition equipments and the current network equipments，Internet Conversion Interface Based on ARM andμC／OS－Пis desiged in this paper.

Embedded system；Ethernet；SPI Serial Communication；S－П；ZLG／IP

TP393

：A

1001－9383（2011）04－0045－04

2011－06－30

段慧婷（1982－），女，河北石家莊人，碩士，主要從事信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與交換技術(shù)研究.